Sedetevi vicino al finestrino sopra l'ala di quasi qualsiasi aereo di linea moderno e lo noterete: l'estremità dell'ala, invece di terminare con una punta netta, si incurva bruscamente verso l'alto formando una pinna. Può sembrare un piccolo vezzo estetico, ma non lo è. Quella punta rialzata è, in realtà, uno degli elementi aerodinamici più preziosi nella storia dell'aviazione commerciale.

Due aziende americane che installano questi dispositivi, basandosi su un progetto nato alla NASA, affermano che le loro sole alette hanno già fatto risparmiare alle compagnie aeree e agli operatori di jet privati più di 10 miliardi di galloni di carburante per aerei — e ha evitato l'immissione in atmosfera di oltre 100 milioni di tonnellate di CO₂. Per ogni singolo volo, il risparmio è solo di pochi punti percentuali. Moltiplicato per decine di migliaia di aeromobili e milioni di partenze all'anno, diventa un numero con dieci zeri.

E tutto risale a un ingegnere testardo e instancabile della NASA Langley che aveva già cambiato la forma dell'aereo due volte prima ancora di guardare la punta dell'ala di un uccello.

Il vortice invisibile alla fine di ogni ala

Per comprendere l'aletta alare, bisogna prima capire il problema che risolve, e questo problema è intrinseco all'elemento stesso che permette a un aereo di rimanere in volo.

Un'ala genera portanza creando una differenza di pressione: pressione inferiore in alto, pressione superiore in basso. Questo è il principio fondamentale del volo. Ma la natura non tollera le differenze di pressione e, all'estremità dell'ala – dove l'aria ad alta pressione sottostante e quella a bassa pressione sovrastante si incontrano improvvisamente in un'apertura – l'aria ad alta pressione si riversa intorno all'estremità e si incurva verso l'alto, dirigendosi verso il lato a bassa pressione.

Il risultato è una potente spirale d'aria che si stringe e si disperde da ciascuna estremità alare: una vortice all'estremità dell'ala. Probabilmente ne avete già visto uno, reso visibile dalla condensa in una giornata umida, che si sprigiona dall'ala di un aereo di linea come una corda spettrale. Questi vortici sono così violenti che il controllo del traffico aereo distanzia gli aerei di qualche minuto in fase di avvicinamento, in modo che un piccolo aereo non venga ribaltato dalla scia di un vortice più grande.

Quel vortice non è libero. Inclina il flusso d'aria locale verso il basso dietro l'ala — gli ingegneri lo chiamano "downwash" — che a sua volta inclina leggermente all'indietro la forza di portanza dell'ala. Quella componente di portanza rivolta all'indietro è pura resistenza. Si chiama resistenza indotta, o “resistenza dovuta alla portanza”, e su un grande aereo di linea in crociera può rappresentare una parte considerevole della resistenza totale che i motori devono superare.

Ecco dunque il dilemma dell'ingegnere in una frase: la portanza che sostiene l'aereo disperde energia dalle estremità alari sotto forma di vortice. Eliminando il vortice, si recupera parte di quell'energia.

L'uomo che ha rimodellato l'aereo, tre volte

Richard Whitcomb non aveva come obiettivo iniziale quello di diventare l'aerodinamico più importante della sua generazione. Cresciuto a Worcester, nel Massachusetts, si dilettava a far volare modellini di balsa con elastici, lesse su una rivista del precursore della NASA, il laboratorio NACA Langley, e decise che ci sarebbe andato prima ancora che qualcuno gli offrisse un lavoro. Vi arrivò nel 1943 e, per sua stessa battuta, non spostò mai la sua scrivania di più di quindici metri per il resto della sua carriera.

Da quell'unico edificio nacquero tre idee che ora sono presenti su quasi tutti gli aerei veloci mai costruiti. Nel 1952 elaborò il regola dell'area — la forma a "bottiglia di Coca-Cola" della fusoliera che permette agli aerei di superare la barriera del suono — un'intuizione che gli valse il Collier Trophy nel 1954. Il suo collega, il leggendario Adolf Busemann, riassunse così l'abilità di Whitcomb nel cogliere l'essenza della fisica.

Questa distinzione – un'ala piccola e precisamente sagomata, non una semplice piastra terminale – è la ragione principale per cui le alette funzionano dove decenni di barriere hanno fallito. Bloccando delicatamente la tendenza dell'aria a fuoriuscire attorno all'estremità e riorientando quella che sfugge, una buona aletta riduce il vortice e recupera parte dell'energia che altrimenti andrebbe persa. Minore resistenza indotta significa minore spinta necessaria, il che significa meno carburante consumato per lo stesso tragitto.

Il video qui sotto illustra i principi fisici alla base del fenomeno – perché si forma il vortice e come un'aletta riduce la resistenza aerodinamica – con un'animazione così chiara da far scattare immediatamente la comprensione.

Dimostrandolo su una petroliera presa in prestito

Un'idea che funziona in una galleria del vento deve comunque superare la prova del cielo reale. Per dimostrare la validità delle alette alari, la NASA prese in prestito un KC-135 Stratotanker (numero di coda 55-3129) dall'aeronautica militare statunitense, lo equipaggiò con un set di alette alari di Whitcomb e lo fece volare dal Dryden Flight Research Center (oggi NASA Armstrong) nel 1979 e nel 1980.

I risultati sono stati migliori di quanto molti avessero osato sperare. Nel corso di decine di voli di ricerca, l'aereo cisterna dotato di alette ha mostrato una riduzione della resistenza in crociera di circa dal 6 al 7 percento, con un guadagno di autonomia comparabile. Le prove in galleria del vento avevano già suggerito che i dispositivi producevano una piccola spinta in avanti mentre domavano i vortici; i test di volo hanno trasformato questo indizio in dati concreti di cui l'intero settore poteva fidarsi.

Whitcomb si ritirò dalla NASA nel 1980, proprio mentre la sua terza grande idea veniva convalidata in volo. Non si sposò mai, continuò a lavorare come consulente e morì a Newport News, in Virginia, nel 2009 all'età di 88 anni, quando le sue tre invenzioni stavano già facendo risparmiare all'industria aeronautica miliardi di dollari all'anno, per lo più senza che i passeggeri conoscessero mai il suo nome.

Dalla curiosità di ricerca alla quasi universale

Per un certo periodo, le alette alari rimasero una nicchia. Il Learjet 28 fu uno dei primi jet di produzione a montarle alla fine degli anni '70. La Boeing annunciò le alette alari per il 747-400 a metà degli anni '80; il modello entrò in servizio alla fine del decennio, il primo aereo di linea a fusoliera larga a montarle. Poi, alla fine degli anni '90, una società chiamata Aviation Partners iniziò a vendere eleganti alette alari. alette integrate — quelle curve e senza giunture — come interventi di ammodernamento, a partire dai Boeing Business Jet e poi dal popolarissimo 737. Improvvisamente qualsiasi compagnia aerea poteva risparmiare qualche punto percentuale sulla spesa per il carburante.

Si aprirono le cateratte. Airbus sviluppò la propria versione, commercializzata come storione — per la famiglia A320 e ha esteso il concetto all'A330neo, all'A350 e oltre. Boeing e Aviation Partners sono andati oltre con il scimitarra divisa, che aggiunge una pinna rivolta verso il basso sotto l'aletta esistente per un piccolo guadagno extra. Altri progettisti hanno completamente saltato la pinna verticale a favore di pinne lunghe e leggermente inclinate punte delle ali inclinate, come si può notare sui modelli 777 e 787.

Le forme sono diverse, ma l'obiettivo è identico: far sì che l'ala si comporti come se fosse più lunga e più efficiente, senza il peso e i problemi di accesso all'aeroporto che un'ala effettivamente più lunga comporterebbe. Un tipico intervento di retrofit riduce il consumo di carburante di circa il 4-6%: un risultato modesto per un singolo volo, ma rivoluzionario per un'intera flotta che vola quotidianamente da decenni.

Quindi, la prossima volta che vedrete quella punta rialzata fendere le nuvole, ricordate cosa state osservando: non un semplice dettaglio stilistico, ma una silenziosa vittoria, maturata in decenni, su un vortice invisibile, ideata da un uomo che studiava gli uccelli e dimostrata su un aereo cisterna dell'aeronautica militare preso in prestito. L'aletta potrebbe essere l'ala più redditizia mai costruita.

Fonti: NASA Langley (biografia di Richard T. Whitcomb); registri dei test di volo delle alette alari KC-135 di NASA Spinoff e NASA Armstrong; Aviation Partners; Boeing e Airbus; Wikipedia.